仿人機(jī)器人上下樓梯穩(wěn)定行走控制策略研究

仿人機(jī)器人上下樓梯穩(wěn)定行走控制策略研究

0仿人機(jī)器人雙足穩(wěn)定性技術(shù)穩(wěn)定軌跡是模仿機(jī)器人研究的核心技術(shù)。近年來(lái)，模仿機(jī)器人的研究主要集中在對(duì)地面上的雙層床上的穩(wěn)定軌跡的平滑上，并取得了一些成果。但是如何在復(fù)雜地面上實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定行走一直是仿人機(jī)器人研究中的瓶頸問(wèn)題。本文通過(guò)引入FZMP概念,針對(duì)仿人機(jī)器人行走樓梯穩(wěn)定性問(wèn)題,推導(dǎo)了上下樓梯穩(wěn)定區(qū)域與穩(wěn)定裕量的計(jì)算方法,提出了上下樓梯穩(wěn)定控制策略,并通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定行走。1穩(wěn)定區(qū)域的劃分零力矩點(diǎn)(zeromomentpoint,ZMP)是指雙足機(jī)器人所受重力、慣性力及地面反力三者的合力矢的延線與地面的交點(diǎn),它是地面上的一點(diǎn),地面反作用力對(duì)于該點(diǎn)的力矩只有垂直分量。計(jì)算公式如下ZMP只能反映靜態(tài)運(yùn)動(dòng)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性,當(dāng)機(jī)器人處于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),就不能很好的滿足ZMP穩(wěn)定判據(jù)。如果地面反作用力點(diǎn)的位置位于支撐多邊形內(nèi),那么機(jī)器人處于動(dòng)態(tài)平衡,計(jì)算確定的點(diǎn)就為ZMP點(diǎn);如果計(jì)算所得的地面反作用力點(diǎn)位于支撐多邊形以外,稱之為FZMP點(diǎn)(fictionszero-momentpoint,FZMP),如圖1所示。根據(jù)FZMP點(diǎn)的位置計(jì)算出該點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)邊界的距離以及失穩(wěn)的方向。穩(wěn)定時(shí),穩(wěn)定區(qū)域可以定義為穩(wěn)定區(qū)域邊界到FZMP點(diǎn)的最小距離,可以代表機(jī)器人穩(wěn)定裕量;不穩(wěn)定時(shí),即FZMP在穩(wěn)定區(qū)域外時(shí),穩(wěn)定區(qū)域邊界到FZMP點(diǎn)的最小距離代表了機(jī)器人不穩(wěn)定的一個(gè)度量,從而判斷仿人機(jī)器人傾倒的可能性,計(jì)算公式如下2動(dòng)態(tài)步行運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體zmp的分布ZMP和穩(wěn)定區(qū)域邊界的最小距離稱為穩(wěn)定裕量。仿人機(jī)器人在動(dòng)態(tài)步行時(shí),機(jī)體的ZMP點(diǎn)是隨時(shí)變化的,ZMP是否落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)決定了其步行的穩(wěn)定性。ZMP離穩(wěn)定區(qū)域中心越近,表明其穩(wěn)定裕量就越大,抗干擾能力就強(qiáng),那么雙足機(jī)器人就越穩(wěn)定。2.1區(qū)域到zmp點(diǎn)的最小距離在上樓梯的單腳支撐期,穩(wěn)定區(qū)域就是支撐腳掌與地面的接觸面構(gòu)成的區(qū)域,穩(wěn)定裕量定義為支撐多邊形區(qū)域到ZMP點(diǎn)的最小距離。假設(shè)踝關(guān)節(jié)兩軸的交點(diǎn)O1在腳掌上的投影為,點(diǎn)Q與腳掌前緣的距離為,與腳掌后跟距離為,與腳掌左邊距離和腳掌右邊距離都為,如圖2所示。ZMP點(diǎn)到支撐域各邊界的距離如下:由前面介紹的穩(wěn)定裕量的定義,可以得到其求解公式如下:Y=min(da,db,dl,dr)。2.2穩(wěn)定性計(jì)算方法在上樓梯雙腳支撐期,兩只腳掌與臺(tái)階接觸面的投影所能構(gòu)成的最大區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定區(qū)域,圖3為上樓梯穩(wěn)定區(qū)域整體示意圖。圖4(a)為左腳在前的穩(wěn)定區(qū)域俯視圖,圖4(b)為右腳在前的穩(wěn)定區(qū)域俯視圖。在圖4(a)中在圖4(b)中空間直線A3A4參數(shù)方程為通過(guò)以上推導(dǎo),得到了仿人機(jī)器人上樓梯時(shí)單腳支撐期和雙腳支撐期的穩(wěn)定區(qū)域和穩(wěn)定裕量計(jì)算方法,也可通過(guò)此方法得到下樓梯穩(wěn)定區(qū)域和穩(wěn)定裕量的計(jì)算公式。如果步長(zhǎng)確定,臺(tái)階越高,支撐多邊形的面積將會(huì)變小,機(jī)器人將會(huì)越不穩(wěn)定;如果支持多邊形大小確定,那么臺(tái)階越高,步長(zhǎng)也將越長(zhǎng),跨的高度越高。3zmp在線調(diào)整控制為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走,采用兩種控制方案實(shí)現(xiàn)上下樓梯穩(wěn)定行走。通過(guò)仿人機(jī)器人上下樓梯過(guò)程中規(guī)劃的踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡,再根據(jù)計(jì)算來(lái)判斷地面反作用力點(diǎn)是否在支撐多邊形中決定。如果地面反作用力點(diǎn)在支持多邊形內(nèi),則采用基于ZMP在線調(diào)整控制方案,在保證腿末端位置坐標(biāo)值不變的基礎(chǔ)上,只需對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。如果FZMP點(diǎn)在支撐多邊形外,則采用基于FZMP在線調(diào)節(jié)控制策略,整體系統(tǒng)控制策略如圖5所示。4達(dá)終點(diǎn)、繼續(xù)前進(jìn)、最后覆出地面仿人機(jī)器人完整動(dòng)作過(guò)程包括:擺動(dòng)腿抬起,離開(kāi)地面、向前擺動(dòng)、到達(dá)最高點(diǎn)、繼續(xù)向前、最后落到地面。仿真步行周期設(shè)置為1.0s,步行速度2km/h,步幅為520mm,臺(tái)階的高度H=0.01m,寬度L=0.3m,仿人機(jī)器人上下樓梯行走仿真序列如圖6和圖7所示。5行人穩(wěn)定性控制仿人機(jī)器人在不平整地面上穩(wěn)定行走是步態(tài)規(guī)劃中的一個(gè)難點(diǎn)。本文針對(duì)仿人機(jī)器人上下樓梯,引入了基于FZMP概念的穩(wěn)定性判別方法,推導(dǎo)了行走樓梯穩(wěn)定區(qū)域和穩(wěn)定裕量,提出了機(jī)器人在行走樓梯保持穩(wěn)定的控制策略,當(dāng)?shù)孛娣醋饔昧c(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),運(yùn)用ZMP在線控制策略,只需對(duì)關(guān)節(jié)角度參數(shù)進(jìn)行微調(diào)修正,而不需要改變期望軌跡值,當(dāng)?shù)孛娣醋饔昧c(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)域外